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纯相位空间光调制器在STED超分辨与全息光镊中的应用

一、引言

由于普通光学显微镜会受到光学衍射极限的限制，分辨率只能达到可见光波长的一半左右，也就是200-300nm。而新型guan状病毒的直径大小是100nm左右。为了能够更精细地观测到生物样本，需要突破衍射极限的限制。进一步提升光学显微系统的分辨率。使用纯相位液晶空间光调制器（SLM）对光场进行调制，产生一个空心光束可以有办法提升系统的横向分辨率。不同于电子显微镜、近场光学显微镜的方法，这种远场光学显微技术能够满足生物活体样品的观测需要。同样原理，高分辨率的液晶空间光调制器通过精细的相位调制可以产生多光阱，从而对微粒实时操控，由此发展了全息光镊技术。

美国Meadowlark Optics 公司专注于模拟寻址纯相位空间光调制器的设计、开发和制造，有40多年的历史，该公司空间光调制器产品广泛应用于自适应光学，散射或浑浊介质中的成像，双光子/三光子显微成像，光遗传学，全息光镊(HOT)，脉冲整形，光学加密，量子计算，光通信，湍流模拟等领域。其高分辨率、高刷新率、高填充因子的特点适用于生物成像及微操纵的工程中。

图1. Meadowlark 2022年最新推出 1024 x 1024 1K刷新率SLM

二、空间光调制器在STED超分辨中的技术介绍

普通的远场荧光显微镜，使用聚焦的远场光束照射荧光分子，由于衍射效应的存在，样品上形成一个有限尺寸的光斑，光斑之内的荧光分子全部被激发并发出荧光。因此光斑内的样品的细节特征无法被分辨，激发光斑的尺寸难以改变，但如果可以使光斑内周围区域的荧光分子处于某种暗态而不发光，那么探测器只能检测到光斑中心区域处于亮态的荧光分子。这样就减小了样品的有效发光面积，从而突破了衍射极限的限制。

荧光分子需要在激发态进行自发辐射发出荧光，因此激发态是亮态，STED中采用荧光分子的基态作为暗态。强制使得荧光分子处于暗态的机制采用受激辐射。当激发光光斑内的荧光分子吸收了激发光处于激发态后，用另一束STED光束照射样品，使损耗光斑范围内的分子以受激辐射的方式回到基态，从而失去发射荧光的能力。即荧光萃灭。这个过程就叫做受激发射损耗。

只有损耗光强为零或较低的区域内的荧光分子能够以自发辐射的形式回到激态发出荧光，这样就实现了有效发光面积的减小。为了实现上述目的，损耗光聚焦后的光斑需要满足边缘光强较大，而中心趋于零的条件，一般采用的是环形的空心光斑，如图2所示。

图2. 激发光斑（a），涡旋光（b），强度分布的线扫描（c）,荧光叠加光斑（d）.

传统的方法可以用螺旋相位板来产生这样的涡旋光束，但是使用纯相位空间光调制器产生这样的涡旋光，具有更高的灵活性。通过改变拓扑荷数就可以改变空心区域的面积，从而产生不同大小的损耗光，来提升STED系统的分辨率。

三、空间光调制器在全息光镊中的技术介绍

光镊可用于操纵具有不同材料特性的微粒，大小从十几纳米到十几微米。可操纵的微粒包括细胞生物组织、介质球、金属球、金属微纳壳、碳纳米管、气泡、甚至是空气中的水滴。

图3一个由26个直径0.99um的胶体二氧化硅球组成的五边形图案。五边形图案用动态全息光镊操控成一个圆形。(a) 原始配置。(b) 经过16个步骤。(c) 38步之后的最终位置。

传统光镊技术通常使用光束偏转器(如扫描振镜或者声光调制器)来实现多微粒捕获与操纵。这些方法受限于器件的扫描频率或者光束偏转角的大小，难以产生大阵列光阱。而基于纯相位液晶空间光调制器可以灵活地产生任意排布的光阱阵列,具有比传统单光镊更高的灵活性。

空间光调制器（Spatial Light Modulator，SLM）作为全息光镊的核心器件之一，它通过调制入射光波前，在物镜焦区得到预期的光场以对微粒进行捕获与操纵。Meadowlark 全息光镊系统可以产生多达100多个光阱。

图4. 全息光镊系统

图5. 点阵图

四、液晶空间光调制器的要求

1. 光利用率

对于光镊应用来说，入射光功率影响着粒子操控的动力。因此空间光调制器的光利用率十分重要，光路中通常也会选择小角度入射的方式来提高光利用率。

Meadowlark公司能提供标速版95.6%的空间光调制器，分辨率达1920x1200，高刷新率版像素1024x1024，填充因子97.2%和dielectric mirror coated版本（100%填充率）。镀介电膜版本的SLM反射率可以达到*，一级衍射效率可以达到98%，且具有高损伤阈值，承受更高的功率。